二、电工技术的初期发展历程

第二次技术革命是从电工技术及其应用开始的。1831年，英国物理学家法拉第发现电磁感应现象，奠定了发电机的理论基础。1857年，英国企业家荷尔姆斯在法拉第的帮助下，研制成功了蒸汽动力永磁发电机。

1866年，德国工程师、实业家维尔纳·冯·西门子（Emst Werner von Siemens，1816—1892，见图1-1）发明了自激式励磁直流发电机，用电磁铁代替永久磁铁，利用发电机自身产生的一部分电流向电磁铁提供励磁电流，使发电机的功率提高。他还预言：电力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元。

西门子设计并制作了最早的标准电阻。他于1860年设计、制作了长度为1m、截面积为1mm ² 的水银电阻器，并在国际电工会议上提交了以此为标准器的提案。为了纪念他的杰出贡献，国际电工会议将电导单位定名为“西门子”。

西门子生于汉诺威的累尔特。他18岁入普鲁士炮兵服役，后进柏林陆军大学学习，毕业后到兵工厂工作，28岁被提升为柏林炮厂厂长，31岁时和机械师哈尔斯克在柏林郊区创设了西门子—哈尔斯克电报机制造厂。1867年，西门子—哈尔斯克电报机制造厂改名为西门子兄弟公司，在其他国家设立子公司。在西门子及其继任者的领导下，公司逐步发展成为誉满全球的大型电工、电子企业。

法国籍比利时电气工程师格拉姆（Zenobe Theophile Gramme，1826—1901）1853年在巴黎学习物理学；1856年进巴黎一家工厂工作，该厂刚开始设计、制造电气工程设备。1870年，格拉姆发明了实用自激直流发电机。格拉姆对意大利物理学家帕奇诺蒂在1859年研制的环形电枢发电机模型作了改进，他用叠片式环形电枢在上下两个磁极间旋转，并采用金属换向器。他设计的发电机具有输出功率大、电压高、输出电流稳定等特点，并取得了专利，曾先后在巴黎和维也纳展出，受到人们的重视。这种发电机虽然效率还不高，但能提供较高的输出电压并发出较大的功率（最大达100kW），具有实用价值。至此，电流的产生不再依赖实验装置，而由结构可靠、电流稳定的发电机提供。

1873年，安装在英国威斯敏斯特钟塔上的信号灯电源，就是由格拉姆制造的直流发电机提供的。格拉姆在维也纳展览会上演示了发电机能反过来作为电动机使用，从而使电动机的设计、制造技术取得了很大进步。1875年，改进后的格拉姆发电机输出功率大、运行稳定、经济性能好，它被安装在世界第一座小型火电站——巴黎北火车站发电站，为车站附近的弧光灯提供电源。当时，格拉姆发电机被各国广泛采用，格拉姆为电气技术的发展作出了重要的贡献。

1879年10月，美国发明家爱迪生（ Thomas Alva Edison，1847—1931，见图1-2）发明了电灯。电灯灯丝用碳化了的棉线做成，其使用寿命比较短，当时并未引起社会的广泛注意，后来经过多次改进，提高了电灯的使用寿命。

1882年，爱迪生建成美国第一个商业直流发电厂——纽约珍珠街发电厂。发电厂装有6台直流发电机组，共660kW，通过110V电缆供电，最大送电距离1.6km，供6200盏白炽灯照明用。其后，爱迪生又建立了威斯康星州亚普尔顿水电站，完成了初步的电力工业技术体系。1889年，金融大亨摩根加入了爱迪生的电气公司，加快了美国的电气化步伐。

爱迪生生于俄亥俄州的迈兰，父亲是小木材场场主。他8岁时仅上了几个月小学，就被老师训斥为“糊涂虫”而退学，从此仅受家庭教育。他12岁时读完了帕克的《自然与实验哲学》，随后又研读了牛顿的《自然哲学的数学原理》，并从中获得教益：重视实践而不是理论。他12岁开始在铁路上当报童，16岁成为车站电报员，22岁创办技术顾问公司，29岁在新泽西州建立了世界上第一所工业实验室（见图1-3）。爱迪生一生完成了2000多项发明，他刻苦努力，充分发挥了自己的发明才能。他曾说：“天才是99%的汗水，加上1%的灵感。”爱迪生象征着美国由穷变富的理想，爱迪生的一生，是美国从落后农业国向工业国过渡、从全盘照搬欧洲技术到建立美国自己的技术体系的时代。如图1-4所示为爱迪生发明的灯泡。

1882年，英国商人在上海开办了上海电光公司，并建了一座功率为12kW的发电厂。1888年，华侨黄秉常在广州两广总督衙门近旁建成发电厂，供给总督衙门及附近部分居民照明用电。随着对电能需求的显著增加和用电区域的扩大，直流发电、供电系统显示出电能生产成本高、供电可靠性低、输电距离短等缺陷。自19世纪80年代起，人们投入了对交流发电、供电系统的研究，与直流发电、供电系统比较，交流发电、供电系统具有许多优越性。

1885年，意大利科学家法拉里提出的旋转磁场原理，对交流电机的发展具有重要的意义。

美国发明家、工业家威斯汀豪（George Westinghouse，1846—1914，见图1-5）生于纽约州的一个农业机械制造商家庭。他在龙宁学院学习后，参加南北战争的北军，在陆军和海军服役。1865年，他发明旋转式蒸汽机而首次获专利。1869年，他设立威斯汀豪空气制动器公司，在匹兹堡建设工厂，生产铁路制动器和铁路信号装置，其产品畅销欧美。

威斯汀豪自19世纪70年代开始研究电机。1885年，他购置了法国高拉德（1850—1888）和英国吉布斯于1881年发明的“供电交流系统”专利权。在他的领导下，与研制变压器和配电设备的斯坦利、发明多项交流发电机和感应电动机技术的特斯拉、研制测量设备的沙伦伯格等，共同完成了交流发电、供电系统，并在匹兹堡创建了交流配电网。在完成这一巨大工程中，显示了他重用优秀技术专家的领导艺术和组织才能。他于1886年成立威斯汀豪电气公司（西屋电气公司）；1889年，威斯汀豪电气公司更名为威斯汀豪电气和制造公司。威斯汀豪一生获专利100多项。

美籍南斯拉夫发明家、电气工程师特斯拉（ Nikola Tesla，1856—1943，见图1-6）1883年发明了世界上第一台感应电动机。1888年，他发明了两相异步特斯拉电动机和交流电力传输系统。美国采用60Hz作为工业用电的标准频率与他有很大关系。

特斯拉出生于奥匈帝国的一个牧师家庭，他具有难以置信的记忆力和对数学的理解能力。特斯拉于1884年移居美国，他先受雇于爱迪生。当时正值“电流争论”时期，发明家爱迪生坚持继续使用直流电，而发明家威斯汀豪则主张改用交流电。特斯拉对交流电感兴趣，便离开爱迪生加入了威斯汀豪的企业。通过在威斯汀豪企业中作出的贡献，特斯拉获得了声誉，1887年，在西方联合电报公司资助下，建立了特斯拉电气公司。1888年，他发明了两相异步特斯拉电动机和交流电力传输系统，他的多相交流发电、输电、配电技术也被社会接受。1890年，他发明了高频发电机；1891年发明的特斯拉线圈（变压器）后来被广泛应用于无线电、电视机和其他电子设备中；1893年，他发明了无线电信号传输系统。特斯拉一生中拥有700多项专利。为了纪念他，1960年第11届国际计量大会确定采用特斯拉作为磁感应强度的单位。

1888年，俄国工程师德布罗夫斯基和德尔伏发明了三相交流制。次年，三相交流电由试验到应用取得成功。不久，三相发电机与电动机相继问世，这为三相交流电在世界上的普遍应用奠定了基础。1891年，在德国劳芬电厂安装了世界上第一台三相交流发电机，并建成第一条三相交流输电线路。三柱式铁芯变压器研制成功后，三相异步电动机得到广泛的应用，工业动力很快便被它所代替。这就使得电能在工业生产上的应用获得了迅速发展，且逐步取代了蒸汽等动力源。三相交流电的出现克服了原来直流供电容量小、距离短的缺点，开创了长距离的供电方式。电力除照明外，还用于电力传动等各种新用途。用电动机带动的各种机床、电车、电梯、起重机、压缩机、电力机车等在工业生产和公共交通等领域发挥着巨大作用。

是采用直流发电、供电系统，还是采用交流发电、供电系统，在19世纪80年代曾发生过一场激烈的争论。美国发明家爱迪生、英国物理学家汤姆逊等都极力主张沿用直流电，而美国发明家威斯汀豪、美籍南斯拉夫发明家特斯拉和英国物理学家费朗蒂等人则主张改用交流电。经过长达10年的激烈争论和竞争，最终后者取得了成功。

对许多分散的电力用户提供大量经济、可靠的电能，促进了电力工业的蓬勃发展和技术进步。电气工程的发展趋势是采用高效率、大功率的蒸汽推动的原动机；不断加大发电机的单机容量；提高输电电压等级；延长输电距离。这促进了高电压、大容量、远距离电力系统的形成。

1891年，由法国劳芬水电站至德国法兰克福的三相高压输电线路建成。它在始端有升压变压器，容量为20kV·A，电压为90V/15.2kV；终端有降压变电站，传输效率在80%以上，具有十分明显的技术优越性和经济效益。此后的10年左右时间，交流输电技术基本上采用了三相制。

美国在1882年仅有3座直流发电厂，1886年美国开始建设交流发电厂，功率为6kW，采用单相制。此后电厂建设蓬勃发展，到1902年便增至3621座。欧洲各国在这一时期也建起了大批电厂。到20世纪初，人类便结束了自1796年由英国人瓦特发明蒸汽机起所开创的蒸汽时代，跨入了面貌全新、更为先进的电气时代。单就三相制交流技术应用、电力事业的创建与发展来说，世界上从创造、试验到普遍应用，至今不过130年。

电能的开发和利用，引起了人类社会生产、生活翻天覆地的变化，独立的电力工业体系也逐步形成、壮大。列宁认为：“电力工业是最能代表最新的技术成就和19世纪末、20世纪初的资本主义的一个工业部门。” HrWMKeL6doVi3aZXudve7CVt9ufj8y66SLB8wKKPXcIJ69IP66WDKCA9+LMj4d6a